宋亞楠，王浩蕾

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著工業(yè)社會(huì)的不斷發(fā)展，電能在人們的生活中不可或缺，太陽(yáng)能資源已經(jīng)成為人們熱衷于利用的能源。目前在野外生存和外太空等特殊場(chǎng)合利用太陽(yáng)能的主流發(fā)電技術(shù)主要有光伏發(fā)電和溫差發(fā)電等。但光伏發(fā)電由于半導(dǎo)體帶隙的限制不能全光譜利用太陽(yáng)能，且生產(chǎn)硅板的過(guò)程中污染嚴(yán)重，成本較高[1-2]，而以太陽(yáng)能為熱源的溫差發(fā)電技術(shù)不存在這一問(wèn)題。溫差發(fā)電技術(shù)作為一種新型的發(fā)電手段，具有成本低廉、安全無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)。其原理是利用了半導(dǎo)體中的塞貝克效應(yīng)[3-5]，當(dāng)兩端存在溫度差時(shí)即可產(chǎn)生電能。這一特性要求溫差發(fā)電片有穩(wěn)定的溫度差，然而以太陽(yáng)能為熱源的溫差發(fā)電片易受太陽(yáng)能資源強(qiáng)度與時(shí)間、空間不匹配的影響，尤其是在夜間和陰雨天氣沒(méi)有太陽(yáng)能可利用，這就造成溫差發(fā)電裝置不能全天候發(fā)電，限制了其進(jìn)一步發(fā)展；而相變儲(chǔ)熱材料因其優(yōu)異的儲(chǔ)/放熱性能而被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能應(yīng)用領(lǐng)域中[6-7]。當(dāng)在太陽(yáng)能強(qiáng)的時(shí)候相變材料熔化吸收熱量存儲(chǔ)熱量，在太陽(yáng)能弱或者沒(méi)有的時(shí)候，相變材料凝固釋放潛熱，從而源源不斷地提供熱能，且相變過(guò)程保持溫度不變，這也在一定程度上保證了發(fā)電片熱端不會(huì)過(guò)熱而發(fā)生損壞。

為了解決上述問(wèn)題，本文通過(guò)引入仿生型的氮化鋁(AlN)-氮化鈦(TiN)-石蠟復(fù)合相變材料充當(dāng)中間儲(chǔ)/傳熱介質(zhì)。在太陽(yáng)能強(qiáng)的時(shí)候一邊提供熱量，一邊發(fā)生熔化存儲(chǔ)熱量，在太陽(yáng)能弱或者沒(méi)有的時(shí)候，相變材料凝固釋放熱量提供給溫差發(fā)電裝置。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明其可以持續(xù)、穩(wěn)定地產(chǎn)生電能，解決了傳統(tǒng)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)溫差發(fā)電裝置存在的痛點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 整體裝置設(shè)計(jì)

整體裝置示意圖如圖1所示。該裝置主要由仿生AlN-TiN-石蠟復(fù)合相變材料、陶瓷溫差發(fā)電片、真空石英保溫罩、散熱裝置組成。該裝置將復(fù)合相變材料緊密貼合在溫差發(fā)電片的熱端，裸露在外側(cè)的一端接收太陽(yáng)能，通過(guò)仿生復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料將熱量傳遞給溫差發(fā)電片作為熱源，且相變材料相變過(guò)程溫度不變，可防止發(fā)電片熱端溫度過(guò)高而損壞，發(fā)電片的冷端與散熱裝置相貼以提供冷源。此外，為了最大限度利用熱量，且低溫?zé)彷椛渲饕獮榧t外波長(zhǎng)，石英紅外波段透過(guò)率低[7-8]，采用雙層真空石英保溫罩來(lái)減少熱對(duì)流和熱輻射損失，底部用高溫膠密封。

圖1 裝置設(shè)計(jì)示意圖

1.2 仿生型AlN-TiN-石蠟復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料制備及性能表征

如圖2(a)所示，采用發(fā)泡法[9-11]制備了孔隙率約為70%的高導(dǎo)熱AlN陶瓷骨架。具體工藝流程為：首先進(jìn)行AlN的抗水解改性處理，將AlN粉體與氧化釔、無(wú)水乙醇按照質(zhì)量比為100∶3∶70進(jìn)行混合并球磨0.5 h，隨后加入0.2 wt.%的分散劑聚丙烯酸繼續(xù)球磨0.5 h，待其充分混合后加入1 wt.% 抗水劑聚氰酸酯球磨0.5 h。球磨結(jié)束后加入交聯(lián)劑四乙烯五胺并機(jī)械攪拌0.5 h，隨后烘干、研磨得到改性后的AlN粉體。將改性后的AlN粉體與0.3 wt.%分散劑Ib-104、去離子水混合制備成固體含量為25 Vol%的漿料，隨后球磨0.5 h，然后加入0.7 wt.%十二烷基硫酸三乙醇胺作為發(fā)泡劑機(jī)械攪拌10 min，隨后將漿料倒入方形模具中成型干燥脫模后得到多孔陶瓷素坯，在600 ℃下排膠4 h后置于1 950 ℃氬氣氣氛中燒結(jié)4 h，得到多孔AlN陶瓷。

如圖2(b)所示，SEM形貌圖顯示所制備的骨架孔隙結(jié)構(gòu)與生物股骨內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)極其相似，具有很好的仿生效果。將具有高光譜吸收能力的納米TiN[12-14]通過(guò)真空浸漬涂覆在骨架表面及內(nèi)部，形成體系吸收，增強(qiáng)其光譜吸收能力。隨后采用真空浸漬法[15-17]將熔融石蠟[18-19]浸入到AlN-TiN多孔骨架中，形成仿生型復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料。如圖2(c)-圖2(d)所示，通過(guò)紫外分光光度計(jì)測(cè)得該仿生復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料在全光譜波段均具有優(yōu)秀的光譜吸收能力，平均光譜吸收率高達(dá)83.78%，相對(duì)于未負(fù)載TiN的樣品提高將近30%。通過(guò)激光閃射導(dǎo)熱儀測(cè)得該復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)>30 W/(m·K)[20]。

為了證明體吸收的優(yōu)勢(shì)，將3種導(dǎo)熱系數(shù)和尺寸相同的復(fù)合儲(chǔ)熱材料(表面和內(nèi)部均涂覆TiN的體吸收樣品、僅在復(fù)合材料表面涂覆TiN的表面式吸收樣品、不含TiN的復(fù)合物直接吸收樣品)同時(shí)置于陽(yáng)光照射下，底部布置熱電偶以檢測(cè)溫度變化，如圖2(e)所示?？梢?jiàn)表面和內(nèi)部均含TiN的體吸收樣品底部具有最快的升溫速率，在50 s左右就達(dá)到了石蠟熔點(diǎn)，而僅在表面含TiN的表面式吸收樣品則消耗了300 s才達(dá)到石蠟熔點(diǎn)，不含TiN的直接吸收樣品的升溫速率最慢，在600 s內(nèi)仍未達(dá)到石蠟熔點(diǎn)?？梢?jiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)的表面式吸收，該仿生復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料可在光照下實(shí)現(xiàn)更均衡的體吸收，更快速地實(shí)現(xiàn)熱量的均勻分布和傳導(dǎo)。

圖2 仿生型AlN骨架制備流程及AlN-TiN-石蠟復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料光熱轉(zhuǎn)換性能

2 裝置性能測(cè)試

2.1 測(cè)試平臺(tái)搭建

如圖3所示，采用氙燈來(lái)模擬太陽(yáng)光垂直照射在與發(fā)電片熱端緊密貼合的仿生復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料上，氙燈功率約15 000 W/m2，發(fā)電片冷端與具有翅片結(jié)構(gòu)的散熱裝置[21]相連接，散熱裝置置于冰水混合物中以提供穩(wěn)定冷源，其中仿生復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料完全覆蓋溫差發(fā)電片熱端，尺寸約為40 mm×40 mm×15 mm，散熱器尺寸為125 mm×125 mm。分別利用氙燈燈源的開(kāi)關(guān)和可周期性旋轉(zhuǎn)的葉片遮擋光源模擬了晝夜交替(白天有太陽(yáng)，晚上無(wú)太陽(yáng))和多云天氣(太陽(yáng)時(shí)有時(shí)無(wú))的工況。葉片旋轉(zhuǎn)速度為15 s/圈，氙燈光斑直徑約50 mm，功率密度約為98 000 W/m2。發(fā)電片產(chǎn)生的直流電壓通過(guò)數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)記錄。

圖3 全天候溫差發(fā)電裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)試示意圖

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

圖4(a)展示了在相同光照條件下，無(wú)仿生復(fù)合相變材料(直接吸收)、有仿生復(fù)合相變材料(AlN-TiN-石蠟)及只含純石蠟的發(fā)電片發(fā)電情況?？梢钥闯觯捎诙嗔艘粚又虚g介質(zhì)，初始太陽(yáng)光能量需要先傳遞給仿生復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料再傳遞給溫差發(fā)電片，所以本文設(shè)計(jì)的發(fā)電裝置初始發(fā)電電壓值低于直接吸收太陽(yáng)光的溫差發(fā)電片，但由于仿生復(fù)合材料的高導(dǎo)熱性和高吸光特性，其發(fā)電電壓很快便超越直接吸收太陽(yáng)光的溫差發(fā)電片，而純的石蠟材料由于其本身光譜吸收能力和導(dǎo)熱系數(shù)低，不能很好地將熱量傳遞給溫差發(fā)電片，所以其發(fā)電電壓一直都處于三者最小值。在氙燈照射10 min后關(guān)閉氙燈光源，因?yàn)榉律鷱?fù)合相變儲(chǔ)熱材料中的石蠟在氙燈照射時(shí)發(fā)生了相變，氙燈關(guān)閉時(shí)，發(fā)生凝固可以釋放潛熱給發(fā)電片，提供持續(xù)的熱源，所以含仿生復(fù)合相變材料的發(fā)電片發(fā)電電壓下降緩慢，但依然可以持續(xù)地產(chǎn)生電能。而僅含石蠟的發(fā)電片因?yàn)榧兪灡旧砉庾V吸收和導(dǎo)熱性能差，沒(méi)有發(fā)生相變，僅僅是存儲(chǔ)了部分顯熱提供給發(fā)電片，所以發(fā)電片電壓也很快下降，但下降速度沒(méi)有直接吸收得快。不含石蠟直接吸收的發(fā)電片因?yàn)闈摕岷惋@熱均沒(méi)有得到儲(chǔ)存，所以其產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很快便下降至未發(fā)電狀態(tài)，不能持續(xù)產(chǎn)生電能。

圖4(b)展示了在照射一段時(shí)間后相同遮擋板轉(zhuǎn)動(dòng)頻率下的發(fā)電裝置發(fā)電電壓變化，可見(jiàn)前期趨勢(shì)與模擬晝夜交替的工況相同，照射10 min后開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)遮擋板，發(fā)現(xiàn)熱端有純石蠟和無(wú)石蠟直接吸收的發(fā)電片產(chǎn)生的電壓先下降，然后隨著遮擋板的旋轉(zhuǎn)頻率發(fā)生高低值的周期性變化，電壓變得不穩(wěn)定，波動(dòng)嚴(yán)重，因?yàn)槠浯鎯?chǔ)的僅僅是顯熱或者沒(méi)有熱量。而含有仿生復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的溫差發(fā)電片發(fā)電電壓略有下降，隨后基本維持在一個(gè)穩(wěn)定值。其原因是在氙燈被遮擋時(shí)，仿生復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料前期所存儲(chǔ)的顯熱與潛熱釋放出來(lái)發(fā)揮了巨大的作用，氙燈未被遮擋時(shí)，其快速的光熱捕捉轉(zhuǎn)換能力又及時(shí)補(bǔ)充了熱量。表1展示了兩種工況平均發(fā)電電壓大小，可見(jiàn)無(wú)論哪種工況，含仿生復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的發(fā)電電壓都是處于三者最高值。

圖4 不同工況下不同發(fā)電裝置的發(fā)電性能對(duì)比

表1 三種發(fā)電片在兩種工況下發(fā)電電壓對(duì)比 單位：V

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種利用具有容積式光熱轉(zhuǎn)換能力的仿生復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的全新溫差發(fā)電裝置，該仿生復(fù)合相變材料具有優(yōu)異的高光譜吸收率、高導(dǎo)熱特性，可以快速捕捉太陽(yáng)能并就地轉(zhuǎn)化為熱量以提供持續(xù)不斷的熱源。相對(duì)于原有的溫差發(fā)電技術(shù)，本文設(shè)計(jì)改進(jìn)的溫差發(fā)電裝置具有優(yōu)異的快速捕捉太陽(yáng)能的全天候發(fā)電特性，可以在太陽(yáng)能資源波動(dòng)時(shí)保持穩(wěn)定、持續(xù)、量大的電能輸出，具有優(yōu)異的性能，可滿足野外供電和太空供電的穩(wěn)定性需求。